Thông tin quang / C2_2_ Suy hao tín hiệu trong sợi quang pps

Suy hao tín hiệu trong sợi quangAttenuation in Optical Fibers... • Suy hao tín hiệu của sợi quang:Suy hao = Suy hao uốn cong + Hấp thụ + Suy hao Tán xạ attenuation = bending loss + absor

Suy hao tín hiệu trong sợi quang

Attenuation in Optical Fibers

Nguyên nhân gây suy hao

• Suy hao tín hiệu của sợi quang:

Suy hao = Suy hao uốn cong + Hấp thụ + Suy hao Tán xạ (attenuation = bending loss + absorption + scattering loss)

• Hệ số suy hao:

L

Sợi quang

P(0): công suất quang tại khoảng cách L=0

P(L): công suất quang tại khoảng cách L

Công suất quang ở khoảng cách L:

e P

L

Hệ số suy hao theo đơn vị 1/km:

( ) ⎥ ⎦ ⎤

⎢

⎣

⎡

=

L P

P L

km

p

0 ln

1 1

α

Hệ số suy hao theo đơn vị dB/km:

L P

P L

km

dB

p 1 343

, 4

0 log

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

dBm refers to a ratio with respect to a signal of 1 mW

Bending Loss - Suy hao uốn cong

• Đây là loại suy hao phụ thuộc vào mode

sóng

• Ví dụ: sợi quang uốn cong với đường

kính 32 mm sẽ gây ra suy hao 0.5 dB

Thay đổi chỉ số chiết xuất khúc xạ n có thể

giảm suy hao uốn cong, nhưng sẽ ảnh hưởng

đến những tính chất khác của sợi quang.

• Nguyên tắc cơ bản giảm thiểu suy hao

uốn cong là giảm thiểu bán kính uốn cong.

Bán kính > 100xđường kính vỏ sợi (for short

times) Vd: 13mm for 125mm cladding

Bán kính > 150xđường kính vỏ sợi (for long

times) Vd: 19mm for 125mm cladding

Bend loss versus bend radius

Microbending losses

„ Đây là một đặc tính của sợi quang, dưới sự điều chỉnh của nhà sản xuất, có giá trị rất nhỏ, thường đã được tính vào suy hao tổng.

Bending Loss in Single Mode Fiber

Mode Field distributions in straight

and bent fibers

Bending loss for lowest order modes

Graded-index Fiber

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∆

−

=

a

r n

r

Với r nằm trong khoảng (0,a) và α = 2

(Nếu α = ∞, công thức trên dùng cho sợi SI)

Số mode được tính theo công thức:

( )

4 2

2 2

1

V akn

+

=

α α

Số mode sẽ giảm do suy hao uốn cong

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

∆

+

−

=

3 / 2

2

2

3

2 2

2 1

kR n

R

a N

N bent straight

α α

Absorption - Suy hao do hấp thụ

„ Hấp thụ do lỗi nguyên tử trong cấu tạo thủy tinh (sự không hoàn hảo của cấu trúc nguyên tử của vật liệu sợi: thiếu hụt phân tử, cụm nhóm nguyên tử mật độ cao…)

„ Hấp thụ bên ngoài do những nguyên tử không sạch trong vật liệu thủy tinh (ion chuyển tiếp kim loại như đồng, sắt, hay ion OH) Ví dụ:

‰ ion kim loại mật độ 1 đến vài phần tỉ gây ra suy hao khoảng 1-10dB/km

‰ mật độ ion OH phải nhỏ hơn vài phần tỉ để có được suy hao nhỏ hơn 20dB/km

„ Hấp thụ bên trong do cấu tạo nguyên tử cơ bản của vật liệu sợi Bắt nguồn từ:

‰ Dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím: Hấp thụ cực tím giảm theo hàm mũ khi bước sóng tăng

‰ Dải dao động nguyên tử trong vùng gần hồng ngoại

Hấp thụ do tạp chất

Suy hao do tán xạ Rayleigh (~95%)

‰ Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi gặp tạp nhỏ trong lõi sợi

‰ Các bước sóng ngắn bị tán xạ nhiều hơn các bước sóng dài.

‰ Các bước sóng λ ≤ 800 nm có suy hao tán xạ Rayleigh cao nên không dùng trong TTQ

‰ Các bước sóng λ ≥ 1700 nm hấp thụ hồng ngoại, có suy hao lớn nên cũng không dùng trong TTQ.

Hệ số suy hao do tán xạ Reyleigh α R

CR: hệ số tán xạ Reyleigh

Ví Dụ: 850 nm có tổn hao phân tán là α

1300 nm có tổn hao phân tán là 18%α

1550 nm có tổn hao phân tán là 9%α

↓

↑⇒

⇒

⋅

=

R

R

α λ

λ

α 1 4

Phổ suy hao của sợi quang Silica SMF

Spectral loss of Single and Multi-mode silica fiber

Intrinsic and extrinsic loss components for silica fiber

• Với λ<1µm: Tán xạ Rayleigh là nguồn suy hao chính trong sợi

• Với λ>1µm: Hấp thụ hồng ngoại chiếm ưu thế trong suy hao tín hiệu quang